ニューロピル時空間動態のモデリングと自動細胞検出器の性能向上

• 研究課題/領域番号: 19H04203
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分62010:生命、健康および医療情報学関連
• 研究機関: 東京大学 (2023); 東京工業大学
• 研究代表者: 青西 亨 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (00333352)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 17,030千円 (直接経費: 13,100千円、間接経費: 3,930千円); 2023年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円); 2022年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円); 2021年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円); 2020年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円); 2019年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円)
• キーワード: カルシウムイメージング / 自動細胞検出 / 非負値行列因子分解 / ニューロピル信号 / 動的モード分解

研究開始時の研究の概要

本研究で実施する課題は、以下の通りである。課題１：ニューロピル時空間動態のモデリング。課題２：ニューロピル時空間動態と細胞動態の関係性の解析。課題３：ニューロピル動態モデルを組み込んだ自動細胞検出器の構成。
課題１より、 大域的かつ複雑なニューロピル時空間動態を低自由度縮約し、その動的特性を明らかにする。課題２より、 ニューロピル動態を低自由度縮約して、細胞活動との関係性を明確にする。課題３：ニューロピル動態モデルを自動細胞検出器に組み込み、その性能を向上させる。

研究成果の概要

我々は、世界最大・最速の広視野2光子顕微鏡（FASHIO-2PM）を開発した（Ota et al. Neuron 2021）。この開発研究において青西は、FASHIO-2PMで取得される巨大イメージングデータから高速に細胞を自動検出する低計算コスト細胞検出アルゴリズムLCCDの開発を担当した。感覚野、運動野、高次野を含む15脳領域（3 x 3 mm2）から16000細胞の活動を、高精度で高速に自動検出することに成功した（Ito et al. Neurosci. Res. 2022）。細胞検出性能を向上させるため、ニューロピル信号に相当する蛍光信号を求め、これを元信号より削除している。

研究成果の学術的意義や社会的意義

我々が開発した広視野2光子顕微鏡FASHIO-2PMにより、複数の脳領域をまたぐ数万の神経活動を観測することが可能となった。また、この顕微鏡と同時に開発した高速自動細胞検出アルゴリズムLCCDにより、膨大な細胞の正確な活動系列の自動抽出を実現し、これら活動系列の統計的解析が可能となった。本研究で開発したこれら計測技術により、これまでにない脳領域をまたぐ広域の数万規模の神経活動の解析が可能となった。これにより、これまで観察されてこなかった脳領域をまたぐハブ細胞ネットワークという新しい生命現象を可視化することに成功している。したがって、我々が開発した技術は神経科学分野を大きく進展させるものである。

研究成果

• [雑誌論文] Dopamine negatively regulates insulin secretion through D1-D2 receptor heteromer. (2022)
  • 著者名/発表者名: Uefune F, Aonishi T, Kitaguchi T, Takahashi H, Seino S, Sakano D, Kume S
  • 雑誌名: Diabetes 巻: 71 号: 9 ページ: 1946-1961
  • DOI: 10.2337/db21-0644
  • 査読あり
• [雑誌論文] Computational model predicts the neural mechanisms of prepulse inhibition in Drosophila larvae (2022)
  • 著者名/発表者名: Furuya Kotaro、Katsumata Yuki、Ishibashi Masayuki、Matsumoto Yutaro、Morimoto Takako、Aonishi Toru
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 15211-15211
  • DOI: 10.1038/s41598-022-19210-8
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Low computational-cost cell detection method for calcium imaging data (2022)
  • 著者名/発表者名: Ito Tsubasa、Ota Keisuke、Ueno Kanako、Oisi Yasuhiro、Matsubara Chie、Kobayashi Kenta、Ohkura Masamichi、Nakai Junichi、Murayama Masanori、Aonishi Toru
  • 雑誌名: Neuroscience Research 巻: 179 ページ: 39-50
  • DOI: 10.1016/j.neures.2022.02.008
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Imaging data analysis using non-negative matrix factorization (2021)
  • 著者名/発表者名: Aonishi Toru、Maruyama Ryoichi、Ito Tsubasa、Miyakawa Hiroyoshi、Murayama Masanori、Ota Keisuke
  • 雑誌名: Neuroscience Research 巻: - ページ: 51-56
  • DOI: 10.1016/j.neures.2021.12.001
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Fast, cell-resolution, contiguous-wide two-photon imaging to reveal functional network architectures across multi-modal cortical areas (2021)
  • 著者名/発表者名: K. Ota, Y. Oisi, T. Suzuki, M. Ikeda, Y. Ito, T. Ito, H. Uwamori, K. Kobayashi, M. Kobayashi, M. Odagawa, C. Matsubara, Y. Kuroiwa, M. Horikoshi, J. Matsushita, H. Hioki, M. Ohkura, J. Nakai, M. Oizumi, A. Miyawaki, T. Aonishi, T. Ode and M. Murayama
  • 雑誌名: Neuron 巻: - 号: 11 ページ: 1-15
  • DOI: 10.1016/j.neuron.2021.03.032
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Low Computational-cost Cell Detection Method for Calcium Imaging Data (2019)
  • 著者名/発表者名: Ito Tsubasa、Ota Keisuke、Ueno Kanako、Oisi Yasuhiro、Matsubara Chie、Kobayashi Kenta、Ohkura Masamichi、Nakai Junichi、Murayama Masanori、Aonishi Toru
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: 502153 ページ: 1-21
  • DOI: 10.1101/502153
• [学会発表] Low-computational cost cell detection algorithm (LCCD) (2022)
  • 著者名/発表者名: 青西亨
  • 学会等名: 学術変革領域B ハブ決定剛軟因子 非公開シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Imaging data analysis using non-negative matrix factorization (2021)
  • 著者名/発表者名: 青西亨
  • 学会等名: 文部科学省新学術領域研究「人工知能と脳科学の対照と融合」カルシウムイメージング ワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] 情報科学を活用したXAFSイメージング解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 青西亨
  • 学会等名: 第33回日本放射光学会年会・放射光科学合同シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 非負値行列因子分解によるイメージングデータ解析-システムの同型性にもとづく異分野データへの適用- (2019)
  • 著者名/発表者名: 青西亨
  • 学会等名: 人工知能学会第３回計測インフォマティクス研究会
  • 招待講演
• [備考] 青西亨 研究業績一覧
  • URL: https://t2r2.star.titech.ac.jp/cgi-bin/researcherpublicationlist.cgi?alldisp=1&q_researcher_content_number=CTT100381316
• [備考] 青西亨 研究業績一覧
  • URL: http://t2r2.star.titech.ac.jp/cgi-bin/researcherpublicationlist.cgi?q_researcher_content_number=CTT100381316&alldisp=1&tab_yf=2021
• [備考] Research map
  • URL: https://researchmap.jp/read0205366